吉玲康，孫國民，賈書君，張 帥，章傳國，李為衛(wèi)，陳宏遠

(1.中國石油集團工程材料研究院有限公司，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室 陜西 西安 710077；2.海洋石油工程股份有限公司 天津 300457； 3.鋼鐵研究總院 北京 100081；4.鞍鋼股份有限公司 遼寧 鞍山 114009； 5.寶山鋼鐵股份有限公司 上海 201900)

0 引 言

深水油氣，特別是中國南海豐富的油氣資源是我國未來能源開發(fā)的新天地和主戰(zhàn)場。海底管道是連接海上油氣輸送的通道，是海上油氣田的重要組成部分和生命線。海底管道一旦遭到破壞，不僅影響正常油氣輸送和生產(chǎn)，帶來巨大經(jīng)濟損失，更嚴重的是還會污染海洋環(huán)境，造成嚴重的生態(tài)環(huán)境災(zāi)難[1-5]。據(jù)美國管道和危險物質(zhì)安全管理部(PHMSA)統(tǒng)計，1988-2008年間，美國海底管道共發(fā)生了334起失效事故,財產(chǎn)損失4.51億美元，其中外力作用(包括第三方活動)和腐蝕是主要原因。從我國1973年首條海底輸油管道在山東黃島成功鋪設(shè)開始至今50年的應(yīng)用經(jīng)驗獲知, 海底管道在鋪設(shè)和運行中同樣有可能因受到外力作用而受損。據(jù)上述不完全統(tǒng)計, 1995-2012年期間, 國內(nèi)發(fā)生有記錄的海底管道事故約35起，原因主要有：在鋪設(shè)過程中由于海流的影響造成管道的變形或斷裂；在運行過程中由于受到外力的沖擊(如受到漁船拋錨撞擊或漁網(wǎng)拖拉等) 造成管道變形或破裂；在運行過程中, 海底管道因海流沖刷而產(chǎn)生懸跨, 繼而因渦激振動而疲勞斷裂；另外，海底管道也會因傳輸介質(zhì)的腐蝕作用而產(chǎn)生穿孔斷裂[1-2]。

可見，深水管道不僅在鋪設(shè)過程中承受較大應(yīng)變；而且在服役過程中由于高溫高壓作用、涌浪、強底流等海洋環(huán)境多變性、海床土壤不確定性等因素，管道也將承受較大的荷載。這些苛刻的工況條件會使海底管道產(chǎn)生較大的塑性變形，甚至斷裂。與陸上管道不同，海底惡劣服役環(huán)境對管線管提出了更嚴格的要求。因而采用基于應(yīng)變的管道設(shè)計方法，同時提高海洋管線管的應(yīng)變能力，是保證海底管道安全的重要措施。對深海用管線鋼管來說，首先需要更大厚徑比(t/D)及壁厚的鋼管以提高鋼管的抗屈曲性能和抗壓潰性能；其次還要求其縱向具有較高的應(yīng)變能力；另外海洋管線管還需要優(yōu)良的抗疲勞性能、焊接性能和耐海水腐蝕性能等。

在深海海底管道的設(shè)計方法方面，目前國內(nèi)外海洋管道設(shè)計一般采用的設(shè)計方法主要有荷載和抗力系數(shù)設(shè)計方法、允許應(yīng)力設(shè)計方法等，而對于材料應(yīng)變能力涉及甚少，對于依據(jù)應(yīng)變控制開展海洋管道設(shè)計的工程項目及設(shè)計內(nèi)容亦非常少。但隨著深水海底油氣資源的開發(fā)，特殊工況下的海洋管道設(shè)計相比較淺水有極大的不同，對管線管應(yīng)變能力提出了更高的要求。海洋管道基于應(yīng)變設(shè)計方法在國內(nèi)外尚未形成統(tǒng)一、系統(tǒng)的應(yīng)變設(shè)計規(guī)范。

在管線鋼管方面，國外發(fā)布了多個海底管道設(shè)計、材料、建造、運營、維護和檢查等的標準與規(guī)范，其中海洋管線適用的技術(shù)標準一般為DNVGL-ST-F101[6]和API Spec 5L(附錄J)[7]，是國內(nèi)外海底管道工程普遍采用的基礎(chǔ)標準。其中DNVGL-ST-F101對塑性變形管(P)提出了簡單的補充要求，而API SPEC 5L在附錄N中對具有縱向塑性應(yīng)變能力要求鋼管的訂購提出了需要協(xié)商的性能指標，并未對具有高應(yīng)變能力鋼管的性能進行具體規(guī)定。國外海底管道工程中非酸性環(huán)境下應(yīng)用的最高鋼級為X70，酸性環(huán)境下應(yīng)用的最高鋼級為X65；鋼管壁厚最大為41.0 mm，D/t最小為15.8。我國海洋管道經(jīng)過40多年的發(fā)展總里程已經(jīng)超過9 000 km，最大水深1 542 m[8]，普遍采用X65及以下鋼管，X70較少，外徑最大765 mm，壁厚最大為31.8 mm，D/t最小為20.0[1, 9-11]。目前，國外建設(shè)的X70管道在水深、壁厚、厚徑比等方面都有很大提高，但是普遍還未開發(fā)專用的高應(yīng)變X70管材(如著名的北溪海底管道)；高應(yīng)變鋼管大規(guī)模應(yīng)用僅限于陸上管線，如我國X70HD/X80HD 大應(yīng)變管線鋼和鋼管在中緬管線和西氣東輸管道工程中實現(xiàn)了規(guī)?；瘧?yīng)用[12]，從根本上解決了地震斷裂帶、滑坡帶、礦山采空區(qū)、沉陷帶等復(fù)雜工況管道建設(shè)和安全運行關(guān)鍵技術(shù)難題。

為此，由中國石油集團工程材料研究院有限公司聯(lián)合海洋石油工程股份有限公司、鋼鐵研究總院、鞍鋼股份有限公司、寶山鋼鐵股份有限公司、中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司、寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司、中國科學(xué)院金屬研究所、安泰科技股份有限公司、天津大學(xué)等國內(nèi)管線鋼/管科研、生產(chǎn)、設(shè)計、應(yīng)用、評價等方面的10家優(yōu)勢單位，聯(lián)合承擔了國家重點研發(fā)計劃項目“高應(yīng)變海洋管線管研制”的研究工作。

該項目從海洋管道基于應(yīng)變設(shè)計技術(shù)研究入手，研究確定了海洋管線管鋪設(shè)、服役中的應(yīng)變需求，制定了高應(yīng)變海洋管線管技術(shù)標準；通過兼具高強、韌、塑綜合性能管線鋼/管相關(guān)科學(xué)問題研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，從UOE和JCOE兩條不同技術(shù)路線突破了高應(yīng)變海洋管線管制造技術(shù)難題；同時研究解決了高應(yīng)變海洋管線管配套環(huán)焊材料和工藝應(yīng)用技術(shù)；通過對關(guān)鍵服役性能全面評估闡明了其質(zhì)量水平和應(yīng)用可行性。項目通過科學(xué)問題研究及關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)，形成高應(yīng)變海洋管線管全產(chǎn)業(yè)鏈“設(shè)計-制造-連接-檢測-評價”技術(shù)。

1 海底管道基于應(yīng)變設(shè)計方法及應(yīng)用研究

1.1 基于應(yīng)變的設(shè)計方法在典型大應(yīng)變工況海底管道設(shè)計中的應(yīng)用研究

對現(xiàn)行海底管道設(shè)計方法進行了比較，研究了海底管道基于應(yīng)變設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，并重點開展了管道側(cè)向屈曲試驗研究，對物理模型和仿真模型進行對比，確保了管道屈曲分析的準確。系統(tǒng)研究提出了“基于應(yīng)變的極限狀態(tài)設(shè)計方法”“管材的技術(shù)要求”“軸向壓縮應(yīng)變條件下基于應(yīng)變的設(shè)計”“軸向拉伸應(yīng)變條件下的基于應(yīng)變設(shè)計”“周期荷載下基于應(yīng)變的設(shè)計”“工程臨界評估”等設(shè)計方法，確立了國內(nèi)首個基于應(yīng)變設(shè)計的海底管道企業(yè)標準《海洋管線基于應(yīng)變設(shè)計指南》[13]，包括確立了基于應(yīng)變的設(shè)計方法的設(shè)計流程及失效評估流程，如圖1、圖2所示。主要包括三個方面：1)在不同工況下，管道設(shè)計應(yīng)變的確定；2)在相應(yīng)工況下，管道臨界應(yīng)變能力的確定；3)考慮一定安全因子后確定管道的容許應(yīng)變。

圖1 基于應(yīng)變設(shè)計的設(shè)計流程

圖2 基于應(yīng)變設(shè)計管道評估流程

運用該基于應(yīng)變設(shè)計方法，基于L485鋼級管徑559mm,壁厚31.8mm鋼管，結(jié)合我國海域類似工程項目參數(shù)(環(huán)境參數(shù)、工藝參數(shù)等)，針對海洋管道實際工程中涉及到的典型大應(yīng)變工況進行系統(tǒng)的設(shè)計研究，主要包括：鋪管工況下海洋管道設(shè)計研究；海管側(cè)向屈曲工況下海洋管道設(shè)計研究；海床大位移工況下海洋管道設(shè)計研究；深水鋼懸鏈立管生存工況下管道設(shè)計研究；管道局部構(gòu)件設(shè)計研究等，形成完整設(shè)計成果文件。

1.2 高應(yīng)變海洋管線管技術(shù)指標體系及產(chǎn)品標準研究

確定了厚壁高應(yīng)變海洋管線管均勻延伸率[14]、加工硬化指數(shù)的計算方法。獲得了不同壓力條件下鋼管的屈曲應(yīng)變?nèi)萘恳约皫缀螀?shù)對屈曲應(yīng)變?nèi)萘康挠绊懸?guī)律。明確了管材的屈服強度、屈強比與臨界屈曲應(yīng)變呈負線性相關(guān)性，均勻延伸率、加工硬化指數(shù)均與臨界屈曲應(yīng)變呈正線性相關(guān)性，如圖3所示。

圖3 海洋管線管關(guān)鍵力學(xué)性能指數(shù)與臨界屈曲應(yīng)變?nèi)萘康南嚓P(guān)性

基于高應(yīng)變海洋管線管試制產(chǎn)品的性能分布規(guī)律，結(jié)合壓縮屈曲應(yīng)變?nèi)萘肯嚓P(guān)性結(jié)果，綜合考慮DNVGL- ST-F101、API Spec 5L、GB/T 9711等國內(nèi)外管道標準，制定了高應(yīng)變海洋管線管技術(shù)指標體系，形成了《海洋油氣管道用高應(yīng)變直縫埋弧焊鋼管》[15]管材制造企業(yè)標準。

2 L485高應(yīng)變管線鋼強、韌化和塑化的物理冶金學(xué)原理研究

2.1 “超細晶鐵素體+針狀鐵素體”雙相組織韌塑性匹配研究

目前，國際上的中、高強度管線鋼多采用傳統(tǒng)的鐵素體+珠光體(或者鐵素體+貝氏體)組織、針狀鐵素體組織，其中針狀鐵素體組織強韌性好，但塑性不能滿足要求；而雙相組織強度、塑性匹配雖好，但韌性相對較低。研究提出的“超細晶鐵素體+針狀鐵素體”雙相組織設(shè)計，具有優(yōu)異的強、韌、塑綜合性能匹配[16]。其中，在針狀鐵素體組織中引入一定量的細晶多邊形鐵素體可細化的有效晶粒，以更有效地阻止裂紋傳播，從而確保材料較高的斷裂韌性水平(見圖4)[17,18]；同時，分布在較硬的針狀鐵素體(AF)基體上的多邊形鐵素體(PF)作為軟相，當外力作用時可產(chǎn)生可動位錯有效降低材料的屈強比和提高均勻延伸率，有利于獲得良好的塑性。

圖4 高應(yīng)變管線鋼顯微組織(EBSD)及對裂紋擴展影響示意圖

2.2 “超細晶鐵素體+針狀鐵素體”雙相組織量化設(shè)計研究

研究提出了L485高應(yīng)變管線鋼的目標組織為“超細晶鐵素體+針狀鐵素體”的雙相組織控制目標[19]，其中：多邊形鐵素體(PF)的體積分數(shù)控制在40%～80%，晶粒尺寸盡量控制在4～6 μm為宜。圖5為31.8 mm厚L485高應(yīng)變管線鋼鋼板厚度方向PF平均晶粒尺寸及體積分數(shù)統(tǒng)計結(jié)果。同時，研究闡明了L485高應(yīng)變管線鋼雙相組織變形特性，通過硬相/軟相硬度比控制可實現(xiàn)量化組織設(shè)計，見圖6。建立了采用位錯密度張量描述變形過程中的兩相協(xié)調(diào)變形行為方法，在整個變形階段軟相(PF)呈持續(xù)硬化狀態(tài)、而硬相(AF)呈階段硬化狀態(tài)，見圖7。這種獨特的兩相協(xié)調(diào)變形行為抑制了硬相提前失穩(wěn)，最大限度地發(fā)揮了各相的變形能力[20-21]。

圖5 L485高應(yīng)變管線鋼鋼板厚度方向PF平均晶粒尺寸及體積分數(shù)統(tǒng)計

圖6 硬度比對屈強比和均勻延伸率的影響

圖7 軟相/硬相的位錯密度變化

2.3 解理斷裂小平面有效晶粒尺寸與變形奧氏體的相關(guān)性研究

發(fā)現(xiàn)了針狀鐵素體組織中，解理斷裂小平面的有效晶粒尺寸是相鄰晶粒{100}解理面夾角≥35°的大角度晶界所包圍的面積，該尺度與軋后變形奧氏體高度相當，提出了管線鋼中變形奧氏體的尺寸控制與DWTT性能的相關(guān)性(見圖8)，并提出了壓扁奧氏體高度≤10 μm的控制目標，奠定了解決針狀鐵素體管線鋼DWTT性能控制難題的理論基礎(chǔ)[18]。

圖8 變形奧氏體高度和解理單元尺寸與斷裂行為的關(guān)系

2.4 高應(yīng)變管線鋼焊接接頭斷裂韌性控制機制研究

細化的針狀鐵素體是焊縫獲得優(yōu)異強韌性的關(guān)鍵。焊縫HAZ區(qū)細晶區(qū)存在明顯軟化現(xiàn)象，圖9為L485高應(yīng)變埋弧焊縫區(qū)域硬度云圖。隨著熱輸入量降低、母材中針狀鐵素體比例增加和微合金元素增加，軟化現(xiàn)象得到改善；HAZ粗晶區(qū)和臨界區(qū)是HAZ中不可避免的脆性區(qū)，可通過V、Nb、Mo等元素調(diào)整提高該區(qū)域韌性水平[22]。

圖9 焊縫區(qū)域硬度云圖

3 L485高應(yīng)變海洋管線管及其用鋼板制造技術(shù)研究

3.1 L485高應(yīng)變管線鋼成分設(shè)計及雙相組織比例精準調(diào)控技術(shù)研究

通過模擬試驗和研究，獲得了主要化學(xué)成分和冷卻參數(shù)對PF+AF雙相組織相變動力學(xué)的影響規(guī)律，開發(fā)出了低溫終軋及均勻相變控制技術(shù)，獲得了理想比例的雙相組織配比，并且使室溫組織中AF和PF組織充分細化及均勻化，有效控制了組織中M/A組元的形態(tài)和分布，確保該組織優(yōu)異的強韌塑性匹配[23]。提出了高應(yīng)變L485管線鋼優(yōu)化的成分設(shè)計范圍：C：0.05～0.07%；Mn：1.4～1.75%；Nb：0.04～0.06%；Mo：0.10～0.20%；Ni：0.1～0.25%。提出了高應(yīng)變L485管線鋼控軋控冷流程的主要工藝參數(shù)控制范圍：如加熱溫度、粗軋和精軋溫度；粗軋末機架變形量及精軋累積變形量；終軋溫度、開冷和終冷溫度等。

3.2 厚規(guī)格高品質(zhì)鑄坯制造技術(shù)研究

高均質(zhì)厚規(guī)格連鑄板坯可改善鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)、提升韌性和組織均勻性[24]。通過數(shù)據(jù)分析和工藝試驗，形成了夾雜物及氣泡、偏析等關(guān)鍵影響因素的控制工藝技術(shù)，并建立了量化的偏析評價技術(shù)，實現(xiàn)了純凈內(nèi)質(zhì)和均質(zhì)的連鑄坯制造，見圖10。夾雜物等級≤1級，偏析等級≤M2.0級。

圖10 B級夾雜物關(guān)鍵影響因素

3.3 基于低溫快速疊加形變軋制的奧氏體組織細化控制技術(shù)研究

系統(tǒng)研究了變形量、變形溫度、變形間隔時間等對海洋管線管用高應(yīng)變L485 管線鋼再結(jié)晶的影響規(guī)律[25]，掌握了未再結(jié)晶區(qū)變形溫度、壓縮比等對奧氏體形變以及相變形核的關(guān)系，開發(fā)了“基于低溫快速疊加形變軋制”技術(shù)，使精軋前再結(jié)晶奧氏體晶粒尺寸細化和扁平化從30 μm以上有效降低到15～20 μm，見圖11。

圖11 不同軋制工藝的平均奧氏體晶粒尺寸

3.4 基于溫度梯度高滲透軋制技術(shù)及基于晶?？刂频亩嚯A段大壓下軋制技術(shù)研究

開發(fā)了通過利用軋制階段鑄坯快速冷卻工藝提高鑄坯厚度方向溫度梯度來提升軋制形變滲透效果的溫控形變技術(shù)，解決了厚壁管線鋼厚度中心晶粒細化困難、厚度截面組織均勻性差的關(guān)鍵技術(shù)難題[26]。結(jié)合高滲透軋制，研究開發(fā)了粗軋末段低溫大變形工藝。粗軋低溫軋制前段以壓下量控制為重點，粗軋末段以道次變形率控制為重點且道次變形率呈逐漸增大趨勢；粗軋待溫區(qū)和道次間隙以適當方式進行冷卻，為實現(xiàn)高滲透軋制提供保證。圖12為鑄坯高滲透軋制溫度和形變模擬結(jié)果。

圖12 鑄坯高滲透軋制溫度和形變模擬

3.5 基于冷速和冷卻溫降差異調(diào)控的均勻冷卻技術(shù)研究

結(jié)合軋制過程鋼板散熱特征，通過厚規(guī)格高應(yīng)變L485 管線鋼軋后和加速冷卻過程溫度-微觀組織-析出相-性能關(guān)系研究，開發(fā)出基于冷卻溫降差異調(diào)控的均勻冷卻技術(shù)[27]；通過對冷卻系統(tǒng)曲線的設(shè)計，使鋼板不同位置在加速冷卻過程中獲得理想的溫度變化，解決了鋼板加速冷卻前溫度差異引起的組織性能不均問題，實現(xiàn)微觀組織結(jié)構(gòu)和性能的有效控制。分析了冷卻速度和終冷溫度與硬相組織類別、形貌及硬度的影響(見圖13)，形成了基于軟硬組織調(diào)控的高應(yīng)變L485 管線鋼多相組織控制技術(shù)，實現(xiàn)了強、塑、韌的良好匹配。

圖13 終冷溫度對顯微硬度的影響

3.6 大厚徑比高應(yīng)變JCOE、UOE鋼管成型、焊接技術(shù)開發(fā)

設(shè)計并制造了滿足大厚徑比鋼管用預(yù)彎、成型模具、小口徑受限空間焊接用內(nèi)焊頭、厚壁短距扇形塊擴徑頭(見圖14)等專用器具；開發(fā)了適用于大厚徑比JCOE鋼管高精度漸進式多步成型技術(shù)；通過多步小步長擴徑工藝，解決了擴徑載荷大難題；同時開發(fā)了L485高應(yīng)變管線鋼焊接用埋弧焊絲及高堿性燒結(jié)焊劑，并制定了配套的焊接工藝；研究掌握了制管工藝對殘余應(yīng)力、幾何尺寸精度和橫縱向力學(xué)性能的影響規(guī)律。圖15為JCOE制管后性能變化規(guī)律。建立了包括成型、焊接及擴徑多工序在內(nèi)的大厚徑比高應(yīng)變JCOE、UOE鋼管成套生產(chǎn)裝備和制管技術(shù)[28]。

圖14 厚壁短距扇形塊擴徑頭

3.7 高應(yīng)變JCOE、UOE鋼管及配套鋼板、制管用埋弧焊絲和焊劑開發(fā)

成功開發(fā)出φ559 mm×31.8 mm L485M高應(yīng)變JCOE、UOE海洋管線管及其配套用鋼板(見表1)，填補了我國基于應(yīng)變設(shè)計海洋管道用鋼管工業(yè)化生產(chǎn)的空白，鋼管的強度、塑性、韌性匹配方面具有先進性，特別是具有較高的形變硬化指數(shù)、均勻塑性變形延伸率、較低的屈強比等，達到《海洋油氣管道用高應(yīng)變直縫埋弧焊鋼管》及DNVGL-ST-F101、GB/T 9711標準要求。

表1 直徑559 mm、壁厚31.8 mm L485高應(yīng)變JCOE、UOE海洋管線管及配套鋼板主要技術(shù)性能

同時，成功開發(fā)出L485高應(yīng)變管線鋼焊接用埋弧焊絲及高堿性燒結(jié)焊劑，焊接材料的熔覆金屬性能試驗及鋼管的評定試驗結(jié)果表明該焊絲焊劑組合具有良好的焊接工藝性能，焊接接頭具有優(yōu)良的低溫韌性和高塑性等性能，適用于L485高應(yīng)變管線鋼的大線能量焊接(見表2)。

表2 L485高應(yīng)變管線管制管用高熱輸入埋弧焊材及焊縫主要技術(shù)性能

4 L485高應(yīng)變海洋管道環(huán)縫焊接工藝技術(shù)研究

4.1 高應(yīng)變管道環(huán)焊接頭力學(xué)及斷裂變形行為表征研究

采用DIC拉伸(見圖16)、微區(qū)壓痕應(yīng)力應(yīng)變(見圖17)、微剪切、硬度云圖、熱力學(xué)模擬、TEM/EBSD顯微分析等多種先進的試驗分析手段，針對L485鋼級、31.8 mm大壁厚高應(yīng)變海洋管道的環(huán)焊技術(shù)開展機理研究，掌握了高應(yīng)變管道高強匹配環(huán)焊縫的斷裂變形機理和多元素微合金控軋高應(yīng)變管線鋼的焊接性特征，弄清了拘束度和熱循環(huán)協(xié)同作用對環(huán)焊接頭顯微組織和力學(xué)性能的影響機制[29-31]。

圖16 焊接接頭圓棒 DIC橫向拉伸變形過程

圖17 環(huán)焊接頭微剪切試驗

4.2 L485高應(yīng)變管道環(huán)焊用高強韌氣保焊絲開發(fā)[32-34]

通過合金強化、組織細化、雜質(zhì)控制等手段，采用低C、低S、P雜質(zhì)含量和低裂紋敏感指數(shù)Pcm，含適量Mn、Si、Ni、Cr、Ti合金元素的成分設(shè)計，試制出3種不同成分的實心焊絲，在海洋管道GMAW方法、較低焊接熱輸入工藝參數(shù)下，形成的焊縫均為以針狀鐵素體為主的顯微組織。由于焊縫組織以細小、均勻和多位相分布的針狀鐵素體為主，因而保證了焊縫具有高強度的同時，具有良好的韌性和塑性，達到或優(yōu)于國外焊材水平(見表3)。

表3 焊縫金屬力學(xué)性能試驗結(jié)果

4.3 L485高應(yīng)變管道環(huán)縫焊接工藝研究

采用窄間隙坡口、小熱輸入量多層多道焊、工藝參數(shù)分區(qū)精確自動控制的自動熔化極氣體保護焊(GMAW)工藝，以及開發(fā)的3種成分的氣保實心焊絲，針對所開發(fā)的L485鋼級、31.8 mm壁厚UOE、JCOE焊管進行了10次環(huán)焊焊接試驗，形成環(huán)焊接頭的強度和韌性平均值與國外焊絲基本相當[35-38](見表4)，滿足項目高強匹配的要求以及DNV標準要求。圖18為典型的環(huán)焊縫形貌和焊縫金屬拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。焊縫的屈服強度(最小639 MPa)與母材屈服強度標準上限(585 MPa)相比，完全達到高強匹配，且有較大的富裕量。含預(yù)制缺陷的環(huán)焊縫寬板拉伸和鋼管全尺寸彎曲試驗表明，變形、斷裂位置位于母材，環(huán)焊接頭未產(chǎn)生明顯的變形或斷裂，具有良好的抗變形能力。

表4 開發(fā)試制焊絲和進口焊絲的環(huán)焊縫主要技術(shù)性能對比

圖18 典型環(huán)焊縫形貌和焊縫金屬拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

5 高應(yīng)變海洋管線管應(yīng)變?nèi)萘吭u估技術(shù)研究

5.1 高應(yīng)變海洋管全尺寸試驗方法研究

形成大口徑大壁厚海洋管全尺寸彎曲試驗裝置，可對高應(yīng)變海洋管的壓縮應(yīng)變?nèi)萘窟M行全尺寸試驗驗證[39]。在測試中，引入光學(xué)散斑、電勢差等相關(guān)試驗技術(shù)，有效地測試應(yīng)變的演化及分布，環(huán)焊縫缺陷斷裂、失穩(wěn)的有效信息[40]。圖19為全尺寸四點彎曲試驗及試驗中裂紋測試裝置。

圖19 全尺寸彎曲試驗及試驗中裂紋測試裝置

5.2 寬板拉伸試驗方法研究

在2500 t復(fù)合加載試驗系統(tǒng)上攻克了工裝設(shè)計、缺陷制備、試樣焊接、信號采集、位移控制精度等一系列難題，形成了一套規(guī)范、標準的寬板拉伸試驗方案，開發(fā)了成套的設(shè)備工裝[41]并成功完成了計劃的試驗[40]，見圖20、圖21。

圖20 寬板拉伸試驗-管體塑性垮塌

圖21 寬板拉伸試驗-焊縫韌性撕裂

5.3 高應(yīng)變海洋管應(yīng)變?nèi)萘款A(yù)測技術(shù)研究

采用激光測量技術(shù)對實際鋼管外形進行測量，并利用外形逆向重構(gòu)及有限元計算對鋼管的彈塑性屈曲行為進行仿真[42](見圖22)，從而獲得了鋼管材料特定應(yīng)力比與屈曲應(yīng)變?nèi)萘康南嚓P(guān)性，相關(guān)成果支持了高應(yīng)變海洋管線管的標準起草及發(fā)布。

圖22 精確激光外形測量及仿真結(jié)果

5.4 高應(yīng)變海洋管含缺陷環(huán)焊接頭定量評價方法研究

針對基于應(yīng)變設(shè)計條件下的管道環(huán)焊縫ECA 評估的需求，發(fā)展了基于應(yīng)變的失效評估圖(見圖23)；提出了一種采用無量綱函數(shù)λ建立的基于簡化參考應(yīng)力法的高應(yīng)變海洋管線管環(huán)焊接頭缺陷評估方法[43]；開發(fā)的連續(xù)介質(zhì)損傷模型結(jié)果更為接近試驗結(jié)果，可用于靜態(tài)裂紋有限元方法和基于FAD方法缺陷容限指標保守程度的定量分析，從而建立了基于應(yīng)變的環(huán)焊縫臨界缺陷尺寸確定方法(見圖24)。

圖23 不同韌性水平焊縫的FAD分析

圖24 延性撕裂判據(jù)不同方法確定的缺陷容限指標(ε=1%)

5.5 高應(yīng)變JCOE、UOE海洋管線管綜合性能評價結(jié)果

研究提出了“高應(yīng)變海洋管線管評估推薦做法”，對開發(fā)的L485高應(yīng)變海洋管線管及環(huán)縫焊接用氣保焊絲、工藝技術(shù)形成的環(huán)焊縫的綜合性能進行了評價，結(jié)果見表5?？梢?，開發(fā)的高應(yīng)變JCOE和UOE海洋管線管均具有較高的臨界屈曲應(yīng)變?nèi)萘亢涂箟簼⑿阅埽移洵h(huán)焊縫也具有較高的拉伸應(yīng)變?nèi)萘?。管體和環(huán)焊縫均可很好地滿足高應(yīng)變海洋管線管設(shè)計要求。

表5 直徑559 mm、壁厚31.8 mm L485高應(yīng)變JCOE、UOE海洋管線管綜合性能評估結(jié)果

6 結(jié)論及展望

1)我國近年來在高應(yīng)變海洋管線管研制和應(yīng)用技術(shù)的研究取得的一系列研究成果主要體現(xiàn)在：針對基于應(yīng)變設(shè)計對深水管道的特殊要求，建立基于應(yīng)變海底管道設(shè)計方法，闡明L485 高應(yīng)變管材強、韌、塑化控制理論，攻克板/管制造關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)環(huán)焊焊接材料、工藝、接頭檢測與評價技術(shù)，建立應(yīng)用評價體系和相關(guān)標準。

2)本文所述相關(guān)研究突破了我國在海洋管道基于應(yīng)變設(shè)計以及高應(yīng)變海洋管線管生產(chǎn)制造、連接、評價方法等方面的重大技術(shù)瓶頸，形成成套生產(chǎn)、應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，豐富深海管道的設(shè)計方法，為我國海洋管道建設(shè)和運行安全提供強有力的技術(shù)支持，為保障國家油氣能源戰(zhàn)略通道安全做出貢獻。成功開發(fā)出的大厚徑比高應(yīng)變海洋管線管及配套鋼板、埋弧焊材、氣保焊絲等產(chǎn)品，性能達到同類品種的國際領(lǐng)先水平，將為實現(xiàn)我國海底管道用高應(yīng)變管線管國產(chǎn)化提供支撐，同時將進一步推動我國重點領(lǐng)域高端鋼鐵產(chǎn)品的研制和行業(yè)技術(shù)進步，具有良好的社會效益。

3)我國海域遼闊，隨著我國經(jīng)濟發(fā)展對能源需求的增加以及我國海洋戰(zhàn)略的實施，海洋油氣田的建設(shè)必將迎來新的發(fā)展機遇。因此為了保證我國海底管道的建設(shè)質(zhì)量和安全運行，高應(yīng)變海洋管線管產(chǎn)品規(guī)?；瘧?yīng)用、推行海底管道的基于應(yīng)變設(shè)計方法勢在必行。從高應(yīng)變海洋管線管的制造和應(yīng)用技術(shù)方面來說，應(yīng)在規(guī)?；瘧?yīng)用的過程中，進一步優(yōu)化鋼管的成分、組織和性能，保證其質(zhì)量；完善高應(yīng)變海洋管線管的技術(shù)標準和鋼管質(zhì)量、服役性能評估體系；同時重點開展適用于高應(yīng)變海洋管線管的焊接技術(shù)、施工技術(shù)研究，確保我國苛刻服役條件下的深水、超深水海底管道的安全可靠性。